Vodný elektrolyzér na vodík

Elektrolýza je sľubnou možnosťou bezuhlíkovej výroby vodíka z obnoviteľných a jadrových zdrojov. Elektrolýza je proces využitia elektriny na rozdelenie vody na vodík a kyslík. Táto reakcia prebieha v jednotke nazývanej elektrolyzér. Elektrolyzéry môžu mať rôzne veľkosti od malých zariadení, ktoré sú vhodné na distribuovanú výrobu vodíka v malom meradle, až po veľké, centrálne výrobné zariadenia, ktoré by mohli byť napojené priamo na obnoviteľné alebo iné formy neemitujúce skleníkové plyny. výroby elektriny.

Ako to funguje
Podobne ako palivové články, aj elektrolyzéry pozostávajú z anódy a katódy oddelených elektrolytom. Rôzne elektrolyzéry fungujú rôznymi spôsobmi, najmä kvôli odlišnému typu použitého elektrolytického materiálu a iónovým druhom, ktoré vedie.

Membránové elektrolyzéry s polymérnym elektrolytom
V elektrolyzéri s polymérovou elektrolytovou membránou (PEM) je elektrolyt pevným špeciálnym plastovým materiálom.

Voda reaguje na anóde za vzniku kyslíka a kladne nabitých vodíkových iónov (protónov).
Elektróny prúdia cez vonkajší okruh a vodíkové ióny sa selektívne pohybujú cez PEM ku katóde.
Na katóde sa vodíkové ióny spájajú s elektrónmi z vonkajšieho okruhu a vytvárajú plynný vodík. Anódová reakcia: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Katódová reakcia: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalické elektrolyzéry
Alkalické elektrolyzéry fungujú prostredníctvom transportu hydroxidových iónov (OH-) cez elektrolyt z katódy na anódu, pričom na strane katódy vzniká vodík. Elektrolyzéry používajúce ako elektrolyt kvapalný alkalický roztok hydroxidu sodného alebo draselného sú komerčne dostupné už mnoho rokov. Novšie prístupy využívajúce pevné alkalické výmenné membrány (AEM) ako elektrolyt sú sľubné v laboratórnom meradle.

Elektrolyzéry pevných oxidov
Elektrolyzéry s pevným oxidom, ktoré používajú ako elektrolyt pevný keramický materiál, ktorý selektívne vedie záporne nabité ióny kyslíka (O2-) pri zvýšených teplotách, generujú vodík trochu iným spôsobom.
Para na katóde sa spája s elektrónmi z vonkajšieho okruhu a vytvára plynný vodík a záporne nabité ióny kyslíka.
Kyslíkové ióny prechádzajú cez pevnú keramickú membránu a reagujú na anóde za vzniku plynného kyslíka a generujú elektróny pre vonkajší obvod.
Elektrolyzéry s pevným oxidom musia pracovať pri teplotách dostatočne vysokých na to, aby membrány s pevnými oxidmi správne fungovali (približne 700 stupňov – 800 stupňov v porovnaní s elektrolyzérmi PEM, ktoré pracujú pri teplote 70 stupňov – 90 stupňov, a komerčnými alkalickými elektrolyzérmi, ktoré zvyčajne pracujú pri menej ako 100 stupňov). Pokročilé laboratórne elektrolyzéry s pevným oxidom založené na protónoch vodivých keramických elektrolytoch sú sľubné pri znižovaní prevádzkovej teploty na 500 až 600 stupňov. Elektrolyzéry pevných oxidov môžu efektívne využívať teplo dostupné pri týchto zvýšených teplotách (z rôznych zdrojov vrátane jadrovej energie) na zníženie množstva elektrickej energie potrebnej na výrobu vodíka z vody.

Prečo sa uvažuje o tejto ceste
Elektrolýza je vedúcou cestou výroby vodíka na dosiahnutie cieľa Hydrogen Energy Earthshot znížiť náklady na čistý vodík o 80 % na 1 USD za 1 kilogram za 1 desaťročie („1 1 1“). Vodík vyrobený elektrolýzou môže viesť k nulovým emisiám skleníkových plynov v závislosti od zdroja použitej elektriny. Pri hodnotení prínosov a ekonomickej životaschopnosti výroby vodíka elektrolýzou sa musí zvážiť zdroj požadovanej elektriny vrátane jej nákladov a účinnosti, ako aj emisií vznikajúcich pri výrobe elektriny. V mnohých regiónoch krajiny nie je dnešná elektrická sieť ideálna na poskytovanie elektrickej energie potrebnej na elektrolýzu z dôvodu uvoľňovania skleníkových plynov a množstva paliva potrebného v dôsledku nízkej účinnosti procesu výroby elektriny. Výroba vodíka prostredníctvom elektrolýzy sa presadzuje pre obnoviteľné zdroje (veterná, solárna, vodná, geotermálna) a jadrovú energiu. Výsledkom týchto spôsobov výroby vodíka sú prakticky nulové emisie skleníkových plynov a emisií znečisťujúcich látok; výrobné náklady sa však musia výrazne znížiť, aby boli konkurencieschopné s vyspelejšími cestami založenými na uhlíku, ako je reformovanie zemného plynu.

Potenciál pre synergiu s výrobou energie z obnoviteľných zdrojov
Výroba vodíka prostredníctvom elektrolýzy môže ponúkať príležitosti na synergiu s dynamickou a prerušovanou výrobou energie, ktorá je charakteristická pre niektoré technológie obnoviteľnej energie. Napríklad, hoci náklady na veternú energiu naďalej klesajú, inherentná variabilita vetra je prekážkou efektívneho využívania veternej energie. Výroba vodíkového paliva a elektrickej energie by mohla byť integrovaná vo veternej farme, čo by umožnilo flexibilitu presunu výroby tak, aby čo najlepšie zodpovedala dostupnosti zdrojov prevádzkovým potrebám systému a trhovým faktorom. V časoch prebytočnej výroby elektriny z veterných elektrární je tiež možné namiesto znižovania elektriny, ako sa to bežne robí, využiť túto prebytočnú elektrinu na výrobu vodíka elektrolýzou.

Je dôležité poznamenať...
Dnešná elektrina zo siete nie je ideálnym zdrojom elektriny na elektrolýzu, pretože väčšina elektriny sa vyrába pomocou technológií, ktoré vedú k emisiám skleníkových plynov a sú energeticky náročné. Výroba elektriny pomocou technológií obnoviteľnej alebo jadrovej energie, buď oddelene od siete, alebo ako rastúca časť mixu sietí, je možnou možnosťou, ako prekonať tieto obmedzenia výroby vodíka prostredníctvom elektrolýzy.

V procese elektrolýzy prebiehajú súčasne dva rôzne procesy ionizácie. Voda aj elektrolyt si v tomto prípade konkurujú.

Elektrolyt prechádza rovnakým ionizačným procesom ako voda. Rovnaká oxidácia a redukcia by nastala v elektrolyte.
Pretože anión z elektrolytu súťaží s hydroxidovými iónmi o uvoľnenie elektrónu a katión súťaží s vodíkovým iónom o redukciu prijatím elektrónu, elektrolyt sa musí vyberať opatrne.

Katión elektrolytu musí mať nižší elektródový potenciál ako H+. Pri akejkoľvek elektrolýze vždy pamätajte, že elektródový potenciál katiónu elektrolytu by mal byť menší ako elektródový potenciál katiónu elektrolyzovanej látky a elektródový potenciál aniónu elektrolytu by mal byť väčší ako elektródový potenciál aniónu elektrolytu. látka, ktorá je elektrolyzovaná.

Výroba zeleného vodíka pomocou obnoviteľných zdrojov energie vyvolala dostatočný záujem o elektrolýzu vody na výrobu vodíka. Elektrolýza vody využívajúca obnoviteľné zdroje energie bez emisií CO2 sa považuje za sľubnú metódu zvýšenia rýchlosti produkcie vodíka. V roku 2020 sa na celom svete vyrobilo približne 87 miliónov ton vodíka na rôzne účely, vrátane rafinácie ropy, výroby amoniaku (NH3) (prostredníctvom Haberovho procesu) a metanolu (CH3OH) (redukciou oxidu uhoľnatého [CO]) a ako dopravné palivo. Očakáva sa, že dopyt po vodíku dosiahne do roku 2050 500-680 miliónov MT. Trh s výrobou vodíka bol v rokoch 2020 až 2021 ocenený na 130 miliárd USD a očakáva sa, že do roku 2030 porastie 9,2 % ročne. Má to však háčik: viac ako 95 % súčasnej výroby vodíka je založených na fosílnych palivách, pričom len veľmi málo je „zelených“. Dnes sa na výrobu vodíka spotrebuje 6 % celosvetového zemného plynu a 2 % celosvetového uhlia. Technológie výroby zeleného vodíka si však získavajú na popularite.

Elektrolýza je proces, ktorý využíva elektrickú energiu na rozdelenie vody na H2 a O2. Tok elektrónov cez vodivú cestu, ako je drôt, je to, čo je elektrina. Táto cesta je známa ako okruh. Elektróny sa pohybujú v dôsledku rozdielu elektrického potenciálu medzi anódou a katódou. Anóda má viac elektrónov a je nestabilnejšia v dôsledku zhluku elektrónov. Elektróny sa chcú preusporiadať, aby eliminovali rozdiel. Elektróny sa navzájom odpudzujú a snažia sa presunúť na miesto s menším počtom elektrónov. To je katóda.
Pretože čistá voda nevedie elektrický prúd, štiepenie vody je pomalá redoxná reakcia.

Chémia
V elektrolyzéri je jedna katóda a jedna anóda pripojená k zdroju energie. Elektróny vždy prúdia z anódy na katódu bez ohľadu na to, čo sa deje. Katóda je vždy tam, kde dochádza k redukcii, preto tam musia byť elektróny. Oxidácia je strata elektrónov a redukcia je zisk elektrónov.
Stručne povedané, na záporne nabitej katóde prebieha redukčná reakcia, pričom elektróny (e-) z katódy sa odovzdajú katiónom vodíka za vzniku plynného vodíka.
Katóda (redukcia):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Na kladne nabitej anóde dochádza k oxidačnej reakcii, pri ktorej sa generuje plynný kyslík a anóde sa odovzdávajú elektróny na dokončenie obvodu.
Anóda (oxidácia): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Kombináciou týchto reakcií vzniká:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 vzniká na katóde a O2 na anóde.
Elektrolýza vody vyžaduje minimálny potenciálny rozdiel 1,23 voltu, hoci pri tomto napätí je potrebné vonkajšie teplo z prostredia.

Stohy bipolárnych článkov elektrolýzy vody sa skladajú z mnohých jednotlivých elektrochemických článkov v elektrických sériách. V praxi si práve zastavené články elektrolýzy vody môžu zachovať významný elektrický náboj v dôsledku zvyškového vodíka a kyslíka zostávajúceho v každom článku. Ponechaný sám, môže trvať mnoho hodín, kým sa tento zvyškový elektrochemický náboj rozptýli. Personál servisu a údržby systému musí byť mimoriadne opatrný, ak sa pokúša o servis alebo výmenu týchto článkov krátko po prevádzke. Napríklad kovový nástroj, ako je kľúč, by mohol neúmyselne premostiť medzeru medzi kladnou prúdovou svorkovnicou zväzku článkov a uzemneným kovovým podporným rámom, pričom by mohol odobrať veľký prúd alebo elektrický oblúk s poškodením a zranením ako nežiaducim výsledkom. Ohrození sú aj pracovníci, ktorí nepoužívajú vhodné izolačné ochranné prostriedky.

Najlepšou praxou pre personál údržby a servisu je overiť, či v zväzku článkov nezostal žiadny významný elektrický náboj, predtým ako z neho odstránite ochranné kryty a elektrické spoje. Personálu sa odporúča vykonať meranie napätia v zásobníku článkov, aby si overili, či je zásobník článkov vybitý. V niektorých prípadoch môže servisný personál použiť aj správne navrhnutý servisný nástroj pozostávajúci z vysokoprúdového skratového odporu naprieč vybitým článkom ako dodatočnú ochranu.

Produkty sa predávajú vo všetkých regiónoch Číny a vyvážajú sa do krajín po celom svete. Predávali sa vo viac ako 20 krajinách a regiónoch vrátane Spojených štátov, Nemecka, Maroka, Kene, Saudskej Arábie, Vietnamu, Alžírska, Indie, Tanzánie a Taiwanu. Úspešne poskytli známe podniky, ako sú China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a ďalšie známe podniky. Existuje mnoho staníc na hydrogenáciu zeleného vodíka, ako sú Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming atď., ktoré poskytujú zelené projekty a projekty na výrobu vodíka.